CN108051101A - 一种基于stm32单片机的发动机温度测试系统 - Google Patents

一种基于stm32单片机的发动机温度测试系统 Download PDF

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蒋炎坤
陈永杰
牛军
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Abstract

本发明属于发动机温度测试系统领域，并公开了一种基于STM32单片机的发动机温度测试系统，包括PCB板载电路、热电偶和上位机，所述PCB板载电路包括STM32主控制器模块、模拟放大电路模块、冷端补偿模块、串口电路模块、LCD液晶屏显示模块、FlASH数据存储模块、nRF‑2.4G无线传输模块、晶振模块和复位模块，模拟放大电路模块用于将热电偶和冷端补偿模块所测的温度信号进行放大并传送给STM32主控制器模块，LCD液晶屏显示模块用于实时显示温度，FlASH数据存储模块用于存储温度数据。本发明设计了一套发动机缸套、缸盖温度测试系统，具有高采样频率、智能存储、无线传输数据等特点。可应用在不同场合环境。

Description

一种基于STM32单片机的发动机温度测试系统
技术领域
本发明属于温度测试系统领域，更具体地，涉及一种发动机温度测试系统。
背景技术
随着微控制器(MCU)技术的不断发展和普及，数据的采集、检测及控制技术日益变得更加重要，其广泛应用于工业、农业等需要同时监控温度、湿度和压力等场合。数据采集是工业控制等系统中的重要环节，通常采用散片组合、FPGA、或一些功能相对单独的单片机等方法系统来实现，作为测控系统不可缺少的部分，数据采集的性能特点直接影响到整个系统。
另一方面，目前发动机越来越多地向高速化、低油耗等的方向发展，如何开发出更加适宜时代需求的发动机成为国内外许多研究者的奋斗目标。由于发动机自身的工作环境比较恶劣，导致其零部件之间的传热变得更加复杂。发动机的传热不仅对其动力性、经济性有很大的影响，而且也影响着零部件的热强度、疲劳寿命以及发动机的冷却、润滑系统等。在发动机的研究设计工作过程中，对于汽缸套、缸盖、冷却水等的温度测试技术显得愈发的重要。
为了在恶劣的环境下实现长期可靠的工作,人们对数据采集系统的实时性与功耗提出了更高的要求:即在满足微功耗、微型化的总体设计原则的基础上,又要能实时反映现场采集数据的变化。这就对系统的功耗、采样速度、数据存储和传输速度等提出了更高的要求。
现有的发动机缸套-缸盖温度测试系统还存在一些问题和不足,一方面是系统的采样频率不够高，例如在发动机转速3000r/min的时候，要监测瞬时的温度变化则需要很高的采样频率才能够准确地反映出发动机每个冲程的温度微小变化，这样的瞬时温度变化产生的对于发动机缸套的热应力是不可忽视的。另一方面，以往的温度测试系统一个模块只能同时采集大约5路的温度信息，当需要采集温度多达几十路时则需要很多个模块同时工作，不仅浪费物料成本也需要更多的时间成本来汇总数据信息。最后是以往的测温系统还不够便捷和智能，在恶劣的工作条件下容易受到干扰不能稳定地工作和保存数据。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于STM32单片机的发动机温度测试系统，实现对于发动机缸套、缸盖等，在恶劣工况下对温度的高速、智能采集。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于STM32单片机的发动机温度测试系统，其特征在于，包括PCB板载电路、热电偶和上位机，其中，
所述PCB板载电路包括STM32主控制器模块、模拟放大电路模块、冷端补偿模块、串口电路模块、LCD液晶屏显示模块、FlASH数据存储模块、nRF-2.4G无线传输模块、晶振模块和复位模块，其中，所述STM32主控制器模块分别连接所述模拟放大电路模块、串口电路模块、LCD液晶屏显示模块、FlASH数据存储模块、nRF-2.4G无线传输模块、晶振模块和复位模块，所述模拟放大电路模块分别连接所述冷端补偿模块和所述热电偶，所述串口电路连接所述上位机，所述热电偶用于安装在发动机的缸套和/或缸盖上设置温度，所述冷端补偿模块用于测量工作环境温度，所述模拟放大电路模块用于将热电偶和冷端补偿模块所测的温度信号进行放大并传送给所述STM32主控制器模块，STM32主控制器模块通过所述串口电路模块将温度信号上传至上位机，所述LCD液晶屏显示模块用于实时显示温度，所述FlASH数据存储模块用于存储温度，所述nRF-2.4G无线传输模块用于将温度传输给外部接收设备，，所述晶振模块和复位模块分别用于为STM32主控制器模块提供时钟信号及使STM32主控制器模块的程序计数器清零。
优选地，所述热电偶采用12路镍铬-镍硅热电偶，其灵敏度为0.041mV/℃，在所需测定的温度范围内，热电偶电动势范围约为0–20mV。
优选地，所述冷端补偿模块为为单片集成两端温度传感器，其测量范围为-55～+150℃。
优选地，所述模拟放大电路模块采用INA128放大芯片。
优选地，所述STM32主控制器模块采用STM32F103VET6芯片，其工作频率为72MHz，其芯片有3个片上ADC及12位精度，并且每个片上ADC具有18个通道，这18个通道包括16个外部通道和2个内部通道。
优选地，所述串口电路模块采用CH340GUSB转串口芯片。
优选地，所述FlASH数据存储模块为W25Q128，其是一种使用SPI通讯协议的NORFLASH存储器，容量为16M字节。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1)本发明能够高速、智能地采集发动机温度信息，能满足较高的(至多2KHz)采样频率需求，同时智能保存数据，无需人工记录。
2)本发明就能同时采集至多达16路的温度信息，不仅节省物料成本也节约数据汇总的时间成本。
3)本发明作为一个有冗余设计的温度测试系统，对应于不同发动机温度采集试验条件下能够进行相应的系统裁剪，以更好地满足不同的实验需求。
附图说明
图1是本发明的结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参照图1，一种基于STM32单片机的发动机温度测试系统，包括PCB板载电路、热电偶和上位机，其中，
所述PCB板载电路包括STM32主控制器模块、模拟放大电路模块、冷端补偿模块、串口电路模块、LCD液晶屏显示模块、FlASH数据存储模块、nRF-2.4G无线传输模块、晶振模块和复位模块，其中，所述STM32主控制器模块分别连接所述模拟放大电路模块、串口电路模块、LCD液晶屏显示模块、FlASH数据存储模块、nRF-2.4G无线传输模块、晶振模块和复位模块，所述模拟放大电路模块分别连接所述冷端补偿模块和所述热电偶，所述串口电路连接所述上位机，所述热电偶用于安装在发动机的缸套和/或缸盖上设置温度，所述冷端补偿模块用于测量工作环境温度，所述模拟放大电路模块用于将热电偶和冷端补偿模块所测的温度信号进行放大并传送给所述STM32主控制器模块，STM32主控制器模块通过所述串口电路模块将温度信号上传至上位机，所述LCD液晶屏显示模块用于实时显示温度，所述FlASH数据存储模块用于存储温度，所述nRF-2.4G无线传输模块用于将温度传输给外部接收设备，所述晶振模块和复位模块分别用于为STM32主控制器模块提供时钟信号及使STM32主控制器模块的程序计数器清零。
图1中虚线框内为PCB板载电路。硬件系统设计主要包括：STM32主控制器模块、模拟放大电路模块、电源管理电路模块、串口电路模块、LCD液晶屏显示模块、外部FlASH数据存储模块、nRF-2.4G无线传输模块、高频晶振及复位模块。图1中黑色实心箭头表示电源管理电路模块与各模块连接进行供电，空心箭头表示信号传递。
本发明的热电偶采用12路镍铬-镍硅(K型)热电偶，其测温头固定于发动机缸套盲孔内。K型热电偶灵敏度为0.041mV/℃，在所需测定的温度范围内，热电偶电动势范围约为0–20mV。热电偶信号和冷端补偿信号经过模拟放大电路放大后，由STM32的模数转换片上外设(ADC)进行采样转换，采样频率约为2K Hz,ADC参考电压为3.3V。
本发明的冷端补偿模块采用AD590，AD590为单片集成两端温度传感器，其测量范围为-55～+150℃。在本设计中AD590传感器作为冷端补偿温度传感器，测量工作环境温度，作为12路热电偶的冷端补偿温度。
本发明的模拟放大电路模块主要功能为将模拟信号放大。热电偶信号与AD590信号皆为毫伏级模拟信号，必须经过模拟放大电路单片机才能准确、高精度地采集其信号。本设计采用INA128放大芯片，其为低功耗、高精度的通用仪表放大器。
其放大增益为：
本发明中热电偶放大电阻RG取为470Ω，放大倍数约为110，满足STM32单片机ADC采样条件。
电源管理模块以外部USB的5V供电输入，5V电压可直接供入INA128和AD590芯片。5V电压经过AMS1117稳压电路，输出3.3V，向STM32单片机供电，同时作为ADC转换参考电压。
STM32主控制器模块选择了应用广泛、性价比高的STM32F103VET6芯片，推荐工作频率为72MHz。其芯片有3个片上ADC,12位精度，每个ADC多达18个通道(16个外部通道和2个内部通道)，完全满足试验需求。同时，具有灵活的静态存储器控制器(FSMC),可以用来驱动LCD实时显示采集温度情况。片上2个硬件SPI外设用以驱动外部SPI-FLASH和无线nRF24L01模块。
串口电路模块主要功能为将数据上传至计算机，考虑到现在很多计算机已经没有串口了，故通过CH340G-USB转串口芯片，将串口信号转换为USB信号输出。同时USB可以进行5V供电。
存储模块为W25Q128，其是一种使用SPI通讯协议的NOR FLASH存储器，容量为16M字节。无线模块采用nRF24L01-2.4G芯片，可以实现几十米远距离的无线通讯。
本发明设计了一套发动机缸套、缸盖温度测试系统，具有高采样频率(2K Hz)、智能存储、无线传输数据等特点。应用在不同场合环境也可以对系统进行相应的裁剪。例如在环境条件比较方便的时候，可以关闭LCD液晶显示，关闭无线传输，将测温系统裁剪得比较简单：单片机的ADC采集数据后直接通过串口发送数据到电脑上位机，然后保存数据。在环境条件恶劣时，例如检测距离稍远或者处于安全考虑做实验时人员不能靠近，有线连接有困难时，便可以用无线传输方式进行数据采集。
另一方面，还可以将系统裁剪为存储式的温度采集系统，去掉液晶显示和无线模块，缩小整个系统体积，然后嵌入到需要测试的地方，通过FLASH存储数据信息，测试完毕后再取出系统进行数据读取。例如，需要测试活塞温度场信息时，由于活塞在缸体内部且作高速运动，只能利用存储式的测温系统方案。
采集到的电压信息按照热电偶标定的分度表，转换为温度值。一方面直接实时显示在LCD液晶屏幕上，同时将数据存储到外部FLASH中。另一方面，数据经过串口电路，发送至计算的上位机软件中。如果受到试验环境条件限制，无法通过有线传输，可以开启2.4G无线传输，通过nRF-2.4G模块，可以将数据实时无线传输到数十米外。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于STM32单片机的发动机温度测试系统，其特征在于，包括PCB板载电路、热电偶和上位机，其中，
所述PCB板载电路包括STM32主控制器模块、模拟放大电路模块、冷端补偿模块、串口电路模块、LCD液晶屏显示模块、FlASH数据存储模块、nRF-2.4G无线传输模块、晶振模块和复位模块，其中，所述STM32主控制器模块分别连接所述模拟放大电路模块、串口电路模块、LCD液晶屏显示模块、FlASH数据存储模块、nRF-2.4G无线传输模块、晶振模块和复位模块，所述模拟放大电路模块分别连接所述冷端补偿模块和所述热电偶，所述串口电路连接所述上位机，所述热电偶用于安装在发动机的缸套和/或缸盖上检测温度，所述冷端补偿模块用于测量工作环境温度，所述模拟放大电路模块用于将热电偶和冷端补偿模块所测的温度信号进行放大并传送给所述STM32主控制器模块，STM32主控制器模块通过所述串口电路模块将温度信号上传至上位机，所述LCD液晶屏显示模块用于实时显示温度，所述FlASH数据存储模块用于存储温度，所述nRF-2.4G无线传输模块用于将温度传输给外部接收设备，所述晶振模块和复位模块分别用于为STM32主控制器模块提供时钟信号及使STM32主控制器模块的程序计数器清零。
2.根据权利要求1所述的一种基于STM32单片机的发动机温度测试系统，其特征在于，所述热电偶采用12路镍铬-镍硅热电偶，其灵敏度为0.041mV/℃，在所需测定的温度范围内，热电偶电动势范围约为0–20mV。
3.根据权利要求1所述的一种基于STM32单片机的发动机温度测试系统，其特征在于，所述冷端补偿模块为为单片集成两端温度传感器，其测量范围为-55～+150℃。
4.根据权利要求1所述的一种基于STM32单片机的发动机温度测试系统，其特征在于，所述模拟放大电路模块采用INA128放大芯片。
5.根据权利要求1所述的一种基于STM32单片机的发动机温度测试系统，其特征在于，所述STM32主控制器模块采用STM32F103VET6芯片，其工作频率为72MHz，其芯片有3个片上ADC及12位精度，并且每个片上ADC具有18个通道，这18个通道包括16个外部通道和2个内部通道。
6.根据权利要求1所述的一种基于STM32单片机的发动机温度测试系统，其特征在于，所述串口电路模块采用CH340GUSB转串口芯片。
7.根据权利要求1所述的一种基于STM32单片机的发动机温度测试系统，其特征在于，所述FlASH数据存储模块为W25Q128，其是一种使用SPI通讯协议的NOR FLASH存储器，容量为16M字节。
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